自修複材料的特點是能(néng)夠識别損害的出現，并立即進(jìn)行自我修複。這(zhè)類材料可在确保物品使用安全性和完整性的同時，降低維護成(chéng)本、延長(cháng)物品壽命。
——朱錦 中國(guó)科學(xué)院甯波材料技術與工程研究所研究員
◎實習記者 蘇菁菁
從鋼鐵俠可以自動愈合的戰衣，到阿麗塔全身可拉伸的電子器件組裝，自修複材料在科幻作品中十分常見。
自修複材料又稱自愈合材料，是一種(zhǒng)受損後(hòu)能(néng)夠進(jìn)行自我修複的新型材料。“自修複材料的特點是能(néng)夠識别損害的出現，并立即進(jìn)行自我修複。這(zhè)類材料可在确保物品使用安全性和完整性的同時，降低維護成(chéng)本、延長(cháng)物品壽命。”中國(guó)科學(xué)院甯波材料技術與工程研究所研究員朱錦近日在接受科技日報記者采訪時說。從電子産品到汽車飛機，再到建築建材，自修複材料的應用前景十分廣闊。那麼(me)，關于自修複材料有哪些創新性研究，其産業化前景如何？
内含可逆動态鍵，能(néng)進(jìn)行自我修複
在使用過(guò)程中，物品會不可避免地出現損傷，嚴重時會産生較大尺寸的裂縫并斷裂，影響材料的使用效率與壽命。以自修複材料制造的物品出現損傷後(hòu)，不需要或者隻需很少的幹預，破損處就能(néng)自動修複。受生物學(xué)中的自修複現象啓發(fā)，人們開(kāi)始設計自修複高分子材料，這(zhè)類材料可以自行發(fā)現裂紋，并通過(guò)一定機理將(jiāng)裂紋重新填補、自行修複，有效延長(cháng)材料的使用壽命，具有重要的科學(xué)意義和應用價值。
朱錦表示，物品的損壞通常從細小的表面(miàn)裂縫開(kāi)始，這(zhè)些細縫人眼是無法發(fā)現的。這(zhè)些裂縫形成(chéng)後(hòu)會不斷擴大，這(zhè)將(jiāng)削弱材料的原始性能(néng)，直到最後(hòu)完全無法使用。而自修複材料能(néng)夠很好(hǎo)地避免上述情況的出現，將(jiāng)裂縫扼殺在搖籃裡(lǐ)。
根據修複方式的不同，可以將(jiāng)自修複材料分爲外援型自修複與本征型自修複兩(liǎng)類。外援型自修複指通過(guò)在材料内部或表面(miàn)添加功能(néng)性載體實現自修複，其修複效率和載體與基材間的相容性、載體的分散均勻性、載體中修複劑的含量密切相關。液芯纖維型自修複高分子材料就是典型的外援型自修複材料，其修複機理是在纖維中包裹可反應的修複劑，當材料破損後(hòu)，修複劑外溢到基體材料中，通過(guò)修複劑和基體材料之間的固化交聯反應對(duì)裂紋進(jìn)行填充和修複。
本征型自修複指利用材料内部具有能(néng)進(jìn)行可逆性化學(xué)反應的分子結構實現自我修複，這(zhè)類修複方式常常需要光、熱、電磁、濕度等特定條件引發(fā)。資料顯示，目前已有基于氫鍵、配位鍵、二硫鍵和硼酸酯鍵等多種(zhǒng)本征型自修複聚矽氧烷材料，在電子封裝、柔性器件、智能(néng)塗層等領域有較廣闊的應用前景。
朱錦告訴記者，自修複材料之所以能(néng)夠“破鏡重圓”，是因爲這(zhè)些材料内部含有可逆動态鍵，即材料發(fā)生斷裂時，這(zhè)些鍵互相之間能(néng)夠重新形成(chéng)鍵合作用，從而在宏觀上實現自我修複。“可逆動态鍵大體可分成(chéng)以下三類，第一類是範德華力，第二類是可逆共價鍵，第三類是超分子動态作用。”朱錦說。
範德華力一般指分子間的作用力，通常是較弱的。但當範德華力聚集在一個聚合物内且按同一方向(xiàng)排列時，便可累積足夠大的力量使材料進(jìn)行自修複。可逆共價鍵是一類能(néng)在特定條件下實現可逆斷裂與重組的共價鍵。在聚合物基體中引入可逆共價鍵，在外界條件的刺激下，聚合物可快速、高效自修複，這(zhè)有助于延長(cháng)聚合物材料的使用壽命。超分子動态作用是一種(zhǒng)非共價鍵作用，大量的超分子聚集在一起(qǐ)可以形成(chéng)機械強度高的動态系統，基于超分子動态作用構築自修複材料也獲得了學(xué)界的關注。
技術不斷深入，創新成(chéng)果層出不窮
随著(zhe)研究不斷深入、技術不斷進(jìn)步，自修複材料領域湧現出越來越多的創新成(chéng)果，自修複材料種(zhǒng)類也不斷增多。此前，中國(guó)科學(xué)院甯波材料技術與工程研究所王立平研究員和趙海超研究員以天然蛛絲和珍珠爲靈感，通過(guò)協同將(jiāng)柔性二硫鍵和動态六氫鍵加入聚氨酯（PU）中，開(kāi)發(fā)出一種(zhǒng)具有超高強度和韌性的室溫自修複超分子材料。同時，在具有動态多氫鍵的氧化石墨烯納米片與PU基體之間的界面(miàn)引入了豐富的氫鍵，從而提供了強大的界面(miàn)相互作用。這(zhè)種(zhǒng)具有反向(xiàng)人工珍珠層結構的含脲PU材料具有創紀錄的機械強度和韌性，優異的拉伸性能(néng)和快速的室溫自修複能(néng)力。
東南大學(xué)智能(néng)材料研究院院長(cháng)李全教授團隊利用四芳基琥珀腈（TASN）和聚矽氧烷基液晶彈性體（LCE），合成(chéng)TASN-LCE材料。他們用這(zhè)種(zhǒng)材料構建的海星狀軟驅動器，不僅可以随著(zhe)溫度變化而變形，還(hái)能(néng)自愈合、再加工。
近期，朱錦團隊聯合韓國(guó)科研團隊根據觸覺細胞的機械刺激響應原理，模拟真實人體皮膚的自愈功能(néng)和生物離子信号傳遞機制，設計合成(chéng)了一種(zhǒng)含有動态二硫鍵功能(néng)基團和氯取代基的新型熱塑性聚氨酯材料，這(zhè)一材料擁有像人體皮膚一樣(yàng)的彈性且具有自我修複能(néng)力，靈敏的觸覺功能(néng)可以随著(zhe)傷口的愈合而恢複。
“爲了學(xué)習人體的‘離子信号傳輸機制’以進(jìn)行外力的感知，同時匹配人體感知所要求的高靈敏度和耐用性，我們在自修複聚氨酯的結構中導入了‘離子抓取位點’，合理調控硬相區和軟相區的結構比例，并將(jiāng)離子液體填入作爲離子傳輸介質，最終得到了一系列耐用的自修複聚氨酯材料。”朱錦說。
尚處實驗室階段，但未來前景廣闊
從研發(fā)屏幕折痕自我修複顯示技術，到研制形狀記憶合金自修複材料；從自修複的陶瓷有望提升飛行安全性，到力學(xué)可調的系列自愈合聚氨酯彈性體改善手術效果，自修複材料的使用場景與應用領域十分廣闊。
朱錦說：“車胎被(bèi)尖銳物品刺穿是常有的事(shì)。但是如果内胎是由自修複材料制備的話，那麼(me)車胎將(jiāng)會自動恢複初始性能(néng)，補胎將(jiāng)會退出我們的生活。未來，具有自修複功能(néng)的車衣膜可以使汽車表面(miàn)劃痕自動消失，降低維護成(chéng)本。”朱錦表示，目前自修複材料多處于科研階段，鮮有能(néng)夠實現産業化的企業。“但是英國(guó)知名研究公司IDTechEx發(fā)布了業界首份關于自修複材料技術及市場的綜合報告，到2042年，自修複材料的市場將(jiāng)達到數十億美元。”朱錦說。
朱錦告訴記者，在他看來，未來有前景的研究領域可能(néng)在如下幾個方面(miàn)：一是新型自修複的動态鍵的結構設計與性能(néng)研究。争取開(kāi)發(fā)新的動态鍵，在保證材料原始性能(néng)的同時，力求自愈合效率的最大化。二是自修複材料的多功能(néng)化研究，自修複材料在使用過(guò)程中，往往需要兼顧其他性能(néng)，例如防汗、抗菌、生物相容等。多功能(néng)的集成(chéng)化，有助于增加自修複材料的應用價值和場景。三是自修複材料的綜合性能(néng)與應用場景的匹配性研究。“我們需要根據應用場景的實際情況，來設計自修複材料需要具備的其他性能(néng)，力求材料使用壽命的最大化和高度匹配性。隻有實現具體應用，才能(néng)體現材料的價值。”朱錦說。
（原文發(fā)布于2023年2月16日《科技日報》第6版）
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